高速鐵路箱梁結(jié)構(gòu)噪聲參數(shù)影響分析研究

宋 瑞

(南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

隨著我國(guó)高速鐵路的不斷發(fā)展，高速鐵路中橋梁的占比也呈逐漸增大趨勢(shì)。與鋪設(shè)在地面上的軌道相比，鐵路高架具有施工工藝成熟、施工速度快、工程造價(jià)低等特點(diǎn)，施工完成后又具有工后沉降小，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，能適應(yīng)各種地形和環(huán)境的影響，無(wú)論是山川河谷，還是繁忙的居民區(qū)，都能快速的修建，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。與列車通過(guò)地面引起的噪聲相比，當(dāng)列車通過(guò)橋梁時(shí)，其沿線噪聲聲壓級(jí)增加2～20 dB[1]，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的重要原因之一是增加了橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。當(dāng)列車通過(guò)高架橋梁時(shí)，列車激勵(lì)導(dǎo)致其振動(dòng)能量傳遞到橋梁頂板，進(jìn)而傳遞給翼板、腹板、底板等構(gòu)件，這些構(gòu)件振動(dòng)形成多個(gè)發(fā)聲板，產(chǎn)生二次橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。橋梁結(jié)構(gòu)噪聲屬于中低頻噪聲范圍。低頻噪聲在空氣中傳播時(shí)，能量衰減慢，穿透力很強(qiáng)，能夠輕松的穿越墻壁，門窗等隔離物。相對(duì)于高頻噪聲，低頻噪聲對(duì)人體的危害更大，因此有必要采用一定的措施降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。

降低噪聲的主要途徑有3種方式，一種為降低受聲者的感知，比如佩戴耳機(jī)等措施，但是在沿線居民大范圍的使用并不現(xiàn)實(shí)；第二種為是在聲傳播過(guò)程中降低噪聲，如采用聲屏障是比較典型的措施，但由于橋梁結(jié)構(gòu)噪聲屬于低頻噪聲，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，采用聲屏障降噪效果有限，且橋梁結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生于橋梁結(jié)構(gòu)本身，安裝在橋面上的聲屏障對(duì)降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲基本無(wú)效；第三種方式是采用優(yōu)化方法，降低噪聲源即橋梁結(jié)構(gòu)本身的輻射噪聲，這種方法具有一定的可行性。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)噪聲仿真計(jì)算方法，各國(guó)的學(xué)者開(kāi)展了系統(tǒng)的研究，主要方法有有限元法(FEM)，邊界元法(FE-BEM)，統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)，有限元—統(tǒng)計(jì)能量混合法(FE-SEA)等。高飛[2]等采用移動(dòng)荷載模型計(jì)算了北京地鐵5號(hào)線某高架橋的振動(dòng)響應(yīng)，并采用二維有限元聲學(xué)模型(設(shè)置吸聲邊界)分析了橋梁噪聲的聲場(chǎng)分布。Costley[3]等聯(lián)合結(jié)構(gòu)有限元和聲學(xué)邊界元對(duì)一座鋼桁鐵路橋梁的次聲空間分布進(jìn)行了研究。李晶[4]等基于移動(dòng)荷載模型和瞬態(tài)邊界元方法對(duì)城市軌道交通混凝土箱梁的振動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究。劉林芽[5]等結(jié)合車輛—軌道—橋梁耦合振動(dòng)和瞬態(tài)邊界元對(duì)一座32 m高速鐵路混凝土簡(jiǎn)支箱梁的面板聲學(xué)貢獻(xiàn)量進(jìn)行了研究。Augusztnovcz[6]等以及Kawatani[7]等先后采用頻域邊界元方法對(duì)公路鋼橋的噪聲輻射問(wèn)題進(jìn)行了分析。ZHANG X[8-10]等基于車輛—軌道—橋梁耦合振動(dòng)分析和頻域邊界元對(duì)高速鐵路混凝土箱梁的噪聲問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。李奇、宋曉東[11-12]等基于車輛—軌道—橋梁動(dòng)力相互作用和2.5D聲學(xué)計(jì)算方法，首先提出了一種軌道交通橋梁的中低頻噪聲預(yù)測(cè)方法，然后采用這種方法對(duì)上海軌道交通U形梁結(jié)構(gòu)的噪聲輻射、空間分布特性以及聲傳播等問(wèn)題進(jìn)行了研究，緊接著又比較了單跨和多跨對(duì)空間近聲場(chǎng)和遠(yuǎn)聲場(chǎng)的影響。對(duì)于混凝土橋梁的降噪優(yōu)化，Crockett[13]等針對(duì)香港西鐵高架橋，通過(guò)將箱梁腹板直接置于鋼軌下方使得導(dǎo)納保持在較低的水平，實(shí)現(xiàn)了降噪要求。韓江龍[14]等通過(guò)在槽型梁布設(shè)兩種橫隔板形式，一種為整跨均勻布設(shè)5個(gè)橫隔板，另一種為集中布設(shè)4個(gè)橫隔板在跨中附近，計(jì)算結(jié)果表明采用均勻布置5個(gè)橫隔板效果更好，距軌道中心30 m遠(yuǎn)能降低1.5～2.0 dB。張迅[15]等對(duì)箱型橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響因素進(jìn)行了討論。徐滿清[16]等采用TMD減振技術(shù)降低了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)橋梁振動(dòng)，這一思路也可以應(yīng)用于橋梁的降噪措施中。劉林芽[17]等首次采用響應(yīng)面法，對(duì)槽型梁的底板和腹板厚度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的場(chǎng)點(diǎn)在63 Hz處峰值聲壓級(jí)降低了5.12 dB，并把優(yōu)化后的箱梁尺寸代入計(jì)算模型中，與響應(yīng)面計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，誤差較小。本文首先通過(guò)有限元—統(tǒng)計(jì)能量混合法(FE-SEA)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的噪聲進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，分別討論橫隔板數(shù)量、頂板板厚、頂板與腹板夾角等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)噪聲的影響，通過(guò)研究其影響規(guī)律，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)形式，探討降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲的有效方法。

1 橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測(cè)

1.1 橋梁有限元—統(tǒng)計(jì)能量混合法模型建立

本文以高速鐵路32 m雙線簡(jiǎn)支混凝土箱梁為研究對(duì)象。圖1為我國(guó)高速鐵路箱梁典型跨中斷面尺寸圖。箱梁頂面寬13.4 m，底面寬5.5 m，高3.05 m，跨中斷面頂板、腹板、底板厚度分別為0.3 m、0.45 m和0.28 m，支點(diǎn)斷面頂板、腹板、底板厚度分別為0.409 m、0.65 m和0.427 m。翼板端部厚度為0.2 m，根部0.65 m。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，建立橋梁振動(dòng)噪聲FE-SEA模型如圖2所示，其中橋梁結(jié)構(gòu)各板采用有限元法模擬?？紤]到箱梁開(kāi)口兩端上下緣均近似封閉，因此箱梁兩端采用板封閉。為降低實(shí)際上并不存在的板對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，板的厚度取為0.001m。封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲腔采用SEA模擬。

圖1 箱梁跨中斷面圖 (mm) 圖2 FE-SEA模型

1.2 車輛輪軌力

圖3為車輪、鋼軌、接觸彈簧的位移動(dòng)柔度幅值及其相位，其中鋼軌的位移動(dòng)柔度指鋼軌、軌道板、橋梁等下部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的位移動(dòng)柔度。鋼軌的扣件剛度為60 MN/m，從圖3中可以看出，在20～40 Hz范圍內(nèi)，總?cè)岫戎衅鹂刂谱饔糜谑擒囕喌奈灰苿?dòng)柔度。40～80 Hz范圍，鋼軌位移動(dòng)柔度和車輪位移動(dòng)柔度之和共同影響總位移動(dòng)柔度，80 Hz后鋼軌位移動(dòng)柔度遠(yuǎn)大于車輪的位移動(dòng)柔度，鋼軌動(dòng)柔度起主要作用。對(duì)于接觸彈簧的位移動(dòng)柔度，20～200 Hz范圍內(nèi)，其值遠(yuǎn)小于鋼軌位移動(dòng)柔度，因此其作用可以基本忽略不計(jì)。圖4為車輪1～2的頻域輪軌力圖，從圖4中可知，2個(gè)輪軌力均在60 Hz附近存在最大值，其原因主要是在這一頻率總位移動(dòng)柔度幅值最小，相對(duì)于的輪軌力最大。另外，從2個(gè)輪軌力曲線可以看出，曲線基本吻合，表明車輪作用于鋼軌的位置對(duì)輪軌力幅值影響很小。

圖3 動(dòng)柔度幅值 圖4 車輪1-2輪軌力幅值

計(jì)算噪聲有各種方法，每種方法適用于不同的頻率范圍。在20～200 Hz范圍的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，屬于中低頻范圍，采用FE-SEA法較為合適。將輪軌力作用于FE-SEA模型上，計(jì)算頻率取值范圍為20～200 Hz。在箱梁跨中截面，橋梁中線距地面1.5 m位置布置一個(gè)近場(chǎng)點(diǎn)，編號(hào)為S1場(chǎng)點(diǎn)；距離箱梁中線32 m遠(yuǎn)，距地面1.5 m位置布置一個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)，編號(hào)為S2場(chǎng)點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖5所示，分別計(jì)算這兩個(gè)場(chǎng)點(diǎn)不同工況下的橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。

圖5 場(chǎng)點(diǎn)位置示意圖 (mm)

2 橋梁橫隔板數(shù)量影響

為了降低頂板和聲腔的噪聲，可以考慮在箱梁內(nèi)部加設(shè)橫隔板，文獻(xiàn)[14]對(duì)U梁加設(shè)橫肋進(jìn)行了探討，仿真結(jié)果表明加設(shè)橫肋能降低U梁結(jié)構(gòu)噪聲。本文分別建立2個(gè)端橫隔板加0～3個(gè)中橫隔板的FE-SEA模型，中橫隔板板厚為0.3 m，橫隔板與底板、腹板和頂板相固結(jié)，分別計(jì)算頂板振動(dòng)均方速度，各場(chǎng)點(diǎn)的聲壓級(jí)。圖6～7分別為不同中橫隔板數(shù)工況下S1，S2場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線。隨著橫隔板數(shù)量增加，各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)逐漸降低，增加3個(gè)中橫隔板，S1場(chǎng)點(diǎn)峰值聲壓級(jí)由92.72 dB減少至83.76 dB，減少了8.96 dB，S2場(chǎng)點(diǎn)峰值聲壓級(jí)由79.76 dB減少至74.26 dB，減少了5.5 dB。各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)降低的重要原因是隨著橫隔板的數(shù)量不斷增加，頂板的振動(dòng)速度不斷減小，由最大2.31×10-3m/s降低至1.07×10-3m/s。

圖6 S1場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線 圖7 S2場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

中橫隔板數(shù)量增加，近場(chǎng)點(diǎn)S1聲壓級(jí)逐漸降低，增加2個(gè)中橫隔板效果最為明顯，增加3個(gè)中橫隔板與增加2個(gè)中橫隔板相差不大。而對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)S2，增加1個(gè)中橫隔板，其各中心頻率的聲壓級(jí)降低不明顯，增加2個(gè)中橫隔板聲壓級(jí)降低比較明顯，增加3個(gè)中橫隔板較2個(gè)中橫隔板無(wú)明顯降低，因此箱梁采用增設(shè)2個(gè)中橫隔板最為經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)構(gòu)板厚度影響

由聲輻射理論可知，結(jié)構(gòu)板的聲輻射功率與結(jié)構(gòu)的尺寸相關(guān)，其中結(jié)構(gòu)的尺寸主要包含結(jié)構(gòu)板的面積和結(jié)構(gòu)板的厚度。對(duì)32 m箱梁的噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變箱梁的梁高、梁寬等整體尺寸涉及比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有比較大的困難，而通過(guò)改變結(jié)構(gòu)板的厚度來(lái)優(yōu)化降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲具有較好的可行性，因此本節(jié)主要討論改變結(jié)構(gòu)板厚來(lái)分析其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)場(chǎng)點(diǎn)噪聲的影響。對(duì)于高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，頂板直接承受上部行駛的列車沖擊荷載，因此本文也主要討論頂板板厚影響。

圖8～9為不同頂板厚度下近場(chǎng)點(diǎn)和遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線。近場(chǎng)點(diǎn)S1峰值聲壓級(jí)隨板厚的增大而減小，從0.15 m頂板厚對(duì)應(yīng)的97.05 dB降低至0.45 m的86.2 dB，降低了10.85 dB。遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)S2峰值聲壓級(jí)隨頂板厚度增加呈先減小，后增大，再減小的趨勢(shì)。遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)S2的峰值噪聲聲壓級(jí)由0.28 m對(duì)應(yīng)的79.76 dB降低至0.42 m對(duì)應(yīng)的69.83 dB，降低了9.93 dB，表明在原有設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上，增大頂板厚度能有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。

圖8 S1場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線 圖9 S2場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

4 箱梁傾角影響

橋梁腹板的主要作用是支撐頂板并連接底板，在不改變底板寬度條件下，改變橋梁腹板傾角，會(huì)導(dǎo)致其支撐頂板的位置發(fā)生改變，而頂板是影響橋梁的主要構(gòu)件，其大小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)噪聲有重要影響。在底板寬度不變情況下，設(shè)置5種傾角工況：內(nèi)傾5°(腹板頂點(diǎn)向內(nèi)移動(dòng))、設(shè)計(jì)值、外傾5°(腹板頂點(diǎn)向外移動(dòng))，外傾10°、外傾15°，分別計(jì)算其各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線如圖10～11所示。

圖10 S1場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線 圖11 S2場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

(1)腹板向內(nèi)傾斜5°，其各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)降低，降低幅值為2 dB左右，其主要原因是腹板向內(nèi)傾斜，其頂點(diǎn)位置接近軌道中線位置，腹板能提供有效的支撐，初始設(shè)計(jì)角度時(shí)，頂板振動(dòng)速度為2.3×10-3m/s，內(nèi)傾5°頂板的振動(dòng)速度為1.9×10-3m/s，頂板的振動(dòng)速度變小，根據(jù)聲輻射理論，板的振動(dòng)速度降低，由板振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)噪聲也對(duì)應(yīng)降低。

(2)腹板向外傾斜，其各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)變大，且傾斜角度越大，各場(chǎng)點(diǎn)聲壓級(jí)也越大，傾角每增加5°，其各場(chǎng)點(diǎn)增加2 dB左右。腹板傾角變大，腹板頂點(diǎn)遠(yuǎn)離軌道中心線，頂板的面積增大，板的振動(dòng)速度增大，導(dǎo)致其聲壓級(jí)增大。

綜上所述，箱梁向內(nèi)傾斜能有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)[13]中通過(guò)調(diào)整香港高鐵混凝土橋梁腹板的位置，使其正好位于鋼軌正下方時(shí)聲壓最小相吻合，因此調(diào)整腹板傾角時(shí)，腹板頂點(diǎn)應(yīng)盡量處于軌道中心線位置。

5 結(jié)論

本文首先通過(guò)建立橋梁有限元—統(tǒng)計(jì)能量混合法結(jié)構(gòu)噪聲模型，通過(guò)計(jì)算車輪軌力并作用于橋梁結(jié)構(gòu)FE-SEA模型上，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，并討論了增加中橫隔板數(shù)量、調(diào)整頂板厚度、改變腹板傾角對(duì)橋梁近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的影響，得到以下結(jié)論：

(1)箱梁增設(shè)中橫隔板能有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，近場(chǎng)點(diǎn)和遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果表明，增加2個(gè)中橫隔板降噪效果比較明顯，增加3個(gè)中橫隔板比增加2個(gè)中橫隔板降噪效果不明顯，因此從節(jié)約成本和減小預(yù)制模板復(fù)雜程度角度考慮，增加2個(gè)中橫隔板為橋梁結(jié)構(gòu)降噪效果最為經(jīng)濟(jì)合理。

(2)近遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)的噪聲隨著頂板的厚度的增大而減小，因此在條件允許下，應(yīng)盡量的增大頂板厚度。

(3)在設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上，腹板頂部向內(nèi)傾斜5°會(huì)減少橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，相反會(huì)增大橋梁結(jié)構(gòu)噪聲，且傾角外傾越大，增大越明顯。因此在設(shè)計(jì)腹板傾角時(shí)，腹板頂緣應(yīng)盡量置于軌道中線位置。